近年、レーザー洗浄は工業製造分野における研究のホットスポットの 1 つとなっており、研究はプロセス、理論、装置、および応用をカバーしています。産業用途では、レーザー洗浄技術は、鋼鉄、アルミニウム、チタン、ガラス、複合材料などを含む洗浄対象物、航空宇宙、航空、船舶、高速輸送などの応用産業を含む、多数の異なる基板表面を確実に洗浄することができています。鉄道、自動車、金型、原子力、海洋などの分野。
1960 年代に遡るレーザー洗浄技術には、優れた洗浄効果、幅広い用途、高精度、非接触、アクセスしやすさという利点があります。工業生産においては、生産やメンテナンスなどの分野で幅広い応用が期待されており、従来の洗浄方法を部分的または完全に置き換え、21世紀で最も有望なグリーン洗浄技術となることが期待されています。
レーザーによる洗浄方法
レーザー洗浄プロセスは非常に複雑で、さまざまな材料除去メカニズムが関与します。レーザー洗浄方法の場合、洗浄プロセスにはさまざまなメカニズムが同時に存在する可能性があり、これは主にレーザーと材料の間の相互作用に起因します。材料表面のアブレーション、分解、イオン化、劣化、溶融、燃焼、蒸発、振動、スパッタリング、膨張、収縮、爆発、剥離、脱落、その他の物理的および化学的変化。プロセス。
現在、代表的なレーザー洗浄方法は主に、レーザーアブレーション洗浄法、液膜支援レーザー洗浄法、レーザー衝撃波洗浄法の 3 つです。
レーザーアブレーションによる洗浄方法
主な方法論的メカニズムは、熱膨張、蒸発、アブレーション、相爆発です。レーザーは基板の表面から除去される材料に直接作用し、周囲条件は空気、希ガス、または真空にすることができます。操作条件はシンプルで、さまざまなコーティング、ペイント、粒子、汚れの除去に最も広く使用されています。以下の図は、レーザーアブレーション洗浄法のプロセス図を示しています。
材料の表面にレーザーを照射すると、基板や洗浄材は最初の熱膨張を起こします。レーザーと洗浄剤の相互作用時間が増加するため、温度が洗浄剤のキャビテーション閾値よりも低い場合、洗浄剤のみが物理的に変化し、洗浄剤と基板の熱膨張係数の差により界面に圧力が発生します。 、洗浄剤の座屈、基板表面からの引き裂き、亀裂、機械的破壊、振動による粉砕などの場合、洗浄剤はジェットによって除去されるか、基板表面から剥がされます。
温度が洗浄剤のガス化閾値温度より高い場合は、次の 2 つの状況が考えられます。1) 洗浄剤のアブレーション閾値が基板より低い。 2) 洗浄剤のアブレーション閾値が基板よりも大きい。
洗浄剤のこれら 2 つのケースは、溶融、キャビテーション、アブレーションおよびその他の物理化学的変化であり、洗浄メカニズムは熱効果に加えてより複雑ですが、洗浄剤と基板の間の分子結合の切断、洗浄剤の分解または劣化、相変化も含まれる場合があります。爆発、洗浄物質のガス化、瞬間イオン化、プラズマの発生。
(1)液膜支援レーザー洗浄
方法のメカニズムには、主に液膜沸騰気化と振動などが含まれます。レーザーアブレーション洗浄プロセスでの衝撃圧力の不足を補う方法で、適切なレーザー波長を選択する必要性を利用して、除去することができます。中には掃除対象物を取り除くのが難しいものもあります。
下図のように、洗浄対象物の表面にあらかじめ液膜（水、エタノールなど）を設け、そこにレーザーを照射します。液体フィルムはレーザーエネルギーを吸収し、液体媒体の強力な爆発、沸騰した液体の高速移動の爆発、表面洗浄材へのエネルギー伝達、高い過渡爆発力は洗浄目的を達成するために表面の汚れを除去するのに十分です。
液膜支援レーザー洗浄方法には 2 つの欠点があります。
プロセスが煩雑であり、プロセスの制御が難しい。
液膜を使用しているため、洗浄後の基板表面の化学組成が変化し、新たな物質が発生しやすくなります。
(1)レーザー衝撃波式洗浄方法
プロセスのアプローチとメカニズムは最初の 2 つとは大きく異なり、そのメカニズムは主に衝撃波による力の除去であり、洗浄対象物は主に粒子であり、主に粒子 (サブミクロンまたはナノスケール) の除去に使用されます。プロセス要件は非常に厳しく、空気をイオン化する能力を確保するだけでなく、粒子に対する衝撃力の作用が十分に大きくなるようにレーザーと基板間の適切な距離を維持することも求められます。
レーザー衝撃波洗浄工程の模式図を以下に示しますが、レーザーは基板表面の方向と平行に照射され、基板には接触しません。ワークピースまたはレーザーヘッドを移動してレーザー出力近くの粒子にレーザー焦点を調整すると、空気イオン化現象の焦点が発生し、衝撃波が発生し、衝撃波が球状に急速に膨張し、接触にまで広がります。粒子と一緒に。粒子上の衝撃波の横方向成分のモーメントが縦方向成分のモーメントおよび粒子付着力より大きい場合、粒子は回転によって除去されます。
レーザー洗浄技術
レーザー洗浄メカニズムは主に、レーザーエネルギーの吸収後の物体の表面、蒸発と揮発、または表面上の粒子の吸着を克服するための瞬間的な熱膨張に基づいており、その結果、物体が表面から洗浄され、次の目的を達成します。掃除の目的。
大きくまとめると、1. レーザー蒸気分解、2. レーザー剥離、3. 汚れ粒子の熱膨張、4. 基板表面振動と粒子振動の 4 つの側面
従来の洗浄プロセスと比較して、レーザー洗浄技術には次のような特徴があります。
1. 洗浄液やその他の化学溶液を使用しない「ドライ」洗浄であり、清浄度は化学洗浄プロセスよりもはるかに高くなります。
2. 汚れ除去範囲と適用下地範囲が非常に広く、
3. レーザープロセスパラメータの調整により、汚染物質の効果的な除去に基づいて基板の表面に損傷を与えることができず、表面は新品同様に良好になります。
4. レーザー洗浄は簡単に自動化できます。
5. レーザー除染装置は長期間使用でき、運用コストが低くなります。
6. レーザー洗浄技術は次のとおりです: グリーン: 洗浄プロセス、廃棄物は固体粉末で除去され、サイズが小さく、保管が簡単で、基本的に環境を汚染しません。
1980年代、半導体産業の急速な発展により、シリコンウェーハ表面のマスク汚染粒子に対する洗浄技術の要求がさらに高まりました。重要な点は、大きな吸着力によって基板と微粒子の汚染を克服することです。 、従来の化学洗浄、機械洗浄、超音波洗浄方法では需要を満たすことができず、レーザー洗浄はそのような汚染問題を解決できるため、関連する研究と応用が急速に開発されています。
1987 年に、レーザー洗浄に関する特許出願が初めて公開されました。 1990年代、ザプカはレーザー洗浄技術を半導体製造プロセスに応用してマスク表面の微粒子を除去することに成功し、産業分野へのレーザー洗浄技術の早期応用を実現した。 1995 年、研究者らは 2 kW TEA-CO2 レーザーを使用して、航空機の機体塗装除去の洗浄に成功しました。
21世紀に入ってから、超短パルスレーザーの高速発展に伴い、金属材料の表面に焦点を当てたレーザー洗浄技術の国内外の研究と応用が徐々に増加し、代表的な海外用途は航空機の機体塗装除去、金型などです。表面の脱脂、エンジン内部のカーボン除去、溶接前の接合部の表面洗浄。米国エジソン溶接研究所による FG16 戦闘機のレーザー洗浄では、レーザー出力 1 kW、毎分 2.36 cm3 の洗浄量が使用されました。
先進的な複合部品のレーザー塗装除去の研究と応用も主要なホットスポットであることは言及する価値があります。米海軍のHG53、HG56ヘリコプターのプロペラブレード、F16戦闘機の平尾翼やその他の複合材表面はレーザー塗装除去用途で実現されているが、中国の複合材の航空機用途は遅れているため、このような研究は基本的に白紙となっている。
さらに、接合部の強度を向上させるために、接着前に接合部の CFRP 複合表面処理にレーザー洗浄技術を使用することも、現在の研究の焦点の 1 つです。レーザー会社をアウディTT車の生産ラインに導入し、軽量アルミニウム合金ドアフレームの酸化膜表面を洗浄するファイバーレーザー洗浄装置を提供しました。ロールス G ロイス UK は、チタン製航空エンジン部品の表面の酸化膜を除去するためにレーザー洗浄を使用しました。
レーザー洗浄技術は過去 2 年間で急速に発展し、レーザー洗浄プロセスのパラメータや洗浄機構、洗浄対象物の研究や研究の応用も大きく進歩しました。多くの理論的研究を経たレーザー洗浄技術は、その研究の焦点が常に研究の応用と有望な結果の応用に偏っています。将来的には、文化財や芸術作品の保護におけるレーザー洗浄技術がさらに広く使用されるようになり、その市場は非常に広範囲になります。科学技術の発展に伴い、レーザー洗浄技術の産業応用が現実となり、その応用範囲はますます拡大しています。
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投稿日時: 2022 年 11 月 14 日
